大空间建筑防火设计（共8篇）
大空间建筑防火设计 篇1
摘要：随着经济的发展和城市建设的进一步扩大涌现出一大批大空间建筑, 伴随而来的大空间建筑防火设计成为是建筑防火设计的重点, 本文根据工程实际和有关规范的要求, 结合性能化设计的基本思想, 总结出大空间建筑防火设计中最为突出的防火分区设计的方法, 以求通过防火分区的合理设计解决大空间建筑防火分区设计中存在的难点和重点。
关键词：大空间建筑,消防设计,自动喷水灭火装置,防火卷帘,防火分区
引言
近年来随着经济建设的发展和建筑技术的不断进步, 一批大空间建筑在全国各地相继投资建设, 且有进一步增长的趋势, 对于这些大型建筑, 如大会堂、体育馆、展览馆、候机厅等, 单层建筑面积超大, 楼层超高, 内部空间不能分隔, 其特殊使用的要求使建筑设计方案与现行防火规范相矛盾, 套用现行防火设计规范无法解释及确定出完善的防火分区的设计方案, 而这类大空间建筑又都存在着危险等级高、火灾水平蔓延速度快的特点, 近年来全国各地的大空间建筑也多次发生重、特大火灾事故。大空间建筑火灾之所以迅速发展为大火并造成巨大损失, 主要原因是没有进行有效的、必要的防火分隔, 因此研究大空间建筑的防火分区问题是预防火灾事故的一个重要方面。
1 大空间建筑的火灾特性
由于建筑结构上的特殊性和使用方面的复杂性, 大空间建筑的火灾预防与普通建筑有着明显的区别, 主要表现在以下几个方面:
1.1 不易进行防火分隔
在建筑物内设置防火防烟分区是控制烟气蔓延的主要方法, 但是对于大空间建筑, 由于建筑结构、生产工艺、使用功能等方面的影响, 特别是一些大型体育场馆、工业厂房, 很难利用防火墙、防火卷帘等有效防烟隔烟措施进行防火分隔。
1.2 普通火灾探测技术无法及时发现火灾
目前在普通建筑中广泛使用的火灾探测器大都是以烟气浓度或温度为信号进行探测的, 且探测器大多安装于顶棚之下。普通建筑的楼层高度多数在6m以下, 火灾烟气能够很快到达顶棚, 因此这类探测器对普通建筑是适用的。另外, 由于建筑物内部热风压的影响, 大空间上部常会形成一定厚度的热空气层, 它足以阻止火灾烟气上升到大空间的顶棚, 从而影响火灾探测器的工作。
1.3 常用的自动喷水灭火装置不能有效发挥作用
在普通建筑中, 洒水喷头通常是按一定间距沿顶棚分布安装的。当顶棚附近的温度达到喷头的启动温度后, 洒水喷头便开始洒水。另一方面, 普通喷头喷出的水滴从十几米乃至几十米的高度落下来, 往往到达不了燃烧物的表面就失去了水滴的浓度和灭火范围, 即失去了有效的灭火作用。
1.4 人员的安全疏散相当困难
大空间建筑一般都是人员高度集中的场所, 常常有成千上万的人, 而且这些人来到这里通常是没有组织的 (例如剧场、体育馆等) , 一旦发生火灾, 在较短的时间内将人们迅速疏散到外界是一个极为困难的问题。
2 合理的大空间建筑防火分区设计方法
2.1 利用防火墙进行防火分隔
防火墙应直接设置在基础上或钢筋混凝土的框架上。防火墙应截断燃烧体或难燃烧体的屋顶结构, 且应高出非燃烧体屋面不小于40cm, 高出燃烧体或难燃烧屋面不小于50cm。当建筑物的屋盖为耐火极限不低于0.5h的非燃烧体时、高层工业建筑屋盖为耐火极限不低于1h的非燃烧体时, 防火墙可砌至屋面基层的底部, 不高出屋面。防火墙中心距天窗端面的水平距离小于4m, 且天窗端面为燃烧体时, 应采取防止火势蔓延的设施。建筑物的外墙如为难燃烧体时, 防火墙应突出难燃烧体墙的外表面40cm;紧靠防火墙两侧的门窗洞口之间最近的水平距离不应小于2m, 如装有耐火极限不低于0.9h的非燃烧体固定窗扇的采光窗, 可不受距离的限制。设计防火墙时, 应考虑防火墙一侧的屋架、梁、楼板等受到火灾的影响而破坏时, 不致使防火墙倒塌。
2.2 利用防火卷帘进行防火分隔
当采用以背火面温升作耐火极限判定条件的防火卷帘时, 其耐火极限不应小于3h, 如双轨、双帘无机防火卷帘和气雾式等特殊防火卷帘。当采用不以背火面温升作耐火极限判定条件的防火卷帘时, 其防火卷帘两侧应设独立的闭式自动喷水灭火系统保护, 系统喷水持续时间不应小于3h, 喷水强度不应小于0.5L/som, 喷头间距应为2m~2.5m, 喷头距卷帘的垂直距离宜为0.5m。
2.3 用水幕进行防火分隔
喷头布置应为3排, 防火水幕带的有效宽度不应小于6m。供水强度不应小于2L/som, 喷水延续时间不应小于3h。水幕上部不应有可燃构件和可燃物。自动扶梯、开敞式楼梯和防火墙上根据需要开设的孔洞均应设置防火卷帘或水幕进行分隔。
2.4 高层建筑中庭防火分区面积应按连通的面积叠加计算。
当超过一个防火分区的面积时, 应符合下列规定:
房间与中庭回廊相连的门, 应设能自动关闭的乙级防火门;与中庭相连的过厅、通道应设防火门或防火卷帘。
2.5 利用增加火灾自动报警系统和自动喷水灭火系统, 达到防火分区增加一倍面积的目的。
一般的, 对于大空间建筑宜采用非接触式火灾探测器, 主要是光束对射式或图像式探测器, 自动喷水灭火系统喷头采用大水滴快速反应喷头或远程数控水炮。从而达到满足大空间探测和扑救火灾的需要。
2.6 利用性能化设计方法进行防火分区设计
在大空间建筑的防火设计中应用“性能化”防火设计的方法, 可以解决“处方式”设计安全性不确定的问题, 使大空间建筑的消防安全性得到有效的保证。对大空间建筑进行“性能化”防火设计, 首先必须要设计火灾———即建立火灾场景模型。在建立火灾场景模型之前, 应首先判断不同区域的火灾类型, 火灾类型不同, 燃烧速度、放热量及火灾的时间就不同, 那么数学模型也不同。火灾荷载的大小、可燃物的性质、通风条件是决定火灾严重性的三个重要因素。大空间建筑的火灾模型要考虑到空气供给速度及材料的分布情况。由于这种建筑的空间较大, 较易获得建筑物外环境风量补偿, 因此空气供给速度也较快。而材料的分布与建筑的使用功能有着直接关系。通过对火灾的模拟, 即放热量大小和持续时间的确定, 可以得出对整个建筑各个部分构件耐火性能、防火分区、防排烟、安全疏散等各方面的要求。对耐火性能、防火分区、防排烟、安全疏散等各方面进行安全检验, 若不符合防火要求, 应反复进行校对, 直到满足安全性的要求为止。从“性能化”设计的步骤可以看出:“安全检验”是“性能化”设计区别于“处方式”设计的一个重要方面, 因此, 在大空间建筑的防火设计中应用“性能化”的设计方法, 可以使建筑的消防安全性得到更有效的保证。
3 结束语
对于大空间建筑, 由于其使用功能的复杂性和不确定性、人员密度及火灾荷载都较大的特点, 所以合理进行防火分区十分必要。在一般大空间建筑中, 常规的防火分隔物还是可以适用的。在实际工作中, 还必须结合实际, 根据建筑空间的特点灵活利用以上六种方法进行防火分区的划分。由于大空间建筑与一般建筑在火灾现象方面存在较大差异, 因而必须从整体分析大空间建筑发生火灾时所具有的性能特性为出发点, 进而实施防火安全综合设计。
参考文献
[1]中华人民共和国公安部.《建筑设计防火规范》GB50016-2006.
[2]中华人民共和国公安部.《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95.
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[5]李引擎.建筑防火工程[M].北京:化学工业出版社, 2004.
浅谈超大空间建筑防火构造设计 篇2
【关键词】大空间建筑；防火；构造；设计
【中图分类号】TU972+2
【文献标识码】A
【文章编号】1672—5158（2012）10-0161-01
在建筑设计中应针对不同情况合理地应用不同的防火分隔措施。只要明确了防火细部构造问题，并在实际中认真贯彻执行，就一定能够做到“预防为主，防消结合”并“防患于未然”。超大空间建筑由于其跨度大，总长度长，其屋盖形式目前在世界上可供选择的做法并不很多，几乎只有大跨度钢屋架体系和大型钢结构网架体系或钢悬索结构屋盖体系是可行的。概括起来，可用材料均为钢材。用钢材制作的屋盖体系的确有其不可替代的优点，经济性强重量轻（较钢砼结构而言）且可以制成大跨度体系，使建筑师的设计构想得以实现，使大空间的使用功能得以实现。但钢结构屋盖体系有着一个致命的弱点，即钢结构不能承受高温。在火灾发生时，一旦钢结构被加热到600℃左右时，钢材的屈服强度大大降低，使屋盖结构软化变形，失去支承能力，导致整个屋盖系统坍塌。如屋盖为整体网架或悬索体系，既便是局部的屋盖受热损坏，也很可能会引起连锁反应，影响到整个屋盖体系。所以对于钢结构屋盖体系进行防火处理，十分重要。《高规》第5.5.1条、第5.5.2条对此做了专门的规定：屋顶金属承重构件，中庭屋顶金属承重构件均“应采用外包敷不燃烧材料或喷涂防火涂料等措施，并应符合1.5小时以上的耐火极限或设置自动喷水灭火系统”。目前钢屋盖的防火处理做法有以下几种：
1 采用外包敷不燃材料做法
一般说来，这种作法是指直接在钢屋架杆件上外包装饰性防火板材，这种板材是硅酸钙与无机纤维压制而成的一种软质防火装饰板。屋架系统杆件纵横交错，外包板材在实际操作上有很大困难，效果既不经济也不美观。采用不燃板材保护钢结构屋盖系统的作法，实际是在钢屋盖下作一层可阻燃的吊顶，一般做法是在钢屋架下弦杆件上直接安装一层轻质钢筋混凝土预制板件。板的下表面安装用防火材料制成的装饰面层。这种做法的特点是既能起到对钢结构屋盖体系的防火保护作用，又同时兼做室内的装饰吊顶，这种作法比较美观，但造价比较昂贵，一般来说，这种作法适合于剧场、影院观众厅的屋盖。也可在一定范围内用于体育馆建筑。对于超大空间建筑，笔者认为这种作法并不适合。原因是这种作法过于昂贵，对于超大空间建筑的功能来说并无必要，为此做出较大经济投入也是不值得的。
2 外涂防火涂料
钢结构防火涂料可分为薄层涂料和厚层涂料。厚层钢结构防火涂料的涂层厚度至少为1.5cm厚，一般厚度达2.0～3.0cm厚，经权威部门测定其耐火极限可达2小时以上，更有些防火涂料其耐火极限甚至可达4小时以上。这种涂料采用的原料是保温隔热骨料、无机胶结材料和性能调节剂等，具有良好的防火性能，重量轻，对人体无害，不会造成对环境的污染等优点。其缺点是由于涂层厚，表面较为松散、不平整，因此暴露在外面不够美观，且容易损坏剥落。另有一种防火涂料是薄层涂料，薄层防火涂料喷涂厚度仅为4～5mm，它适合于喷涂在露明钢屋架表面，其表面平整，还有多种色彩可供选用。但由于薄层防火涂料的耐火极限仅为一小时左右，使用时应谨慎。
3 自动喷水系统
自动喷水系统对钢屋盖系统进行直接的保护，其主要作用是通过水直接作用在钢材表面上起到对钢材的冷却作用。在钢结构屋盖体系的下部安装自动喷水管道系统，采用上喷式喷头，使水向钢屋盖的杆件均匀连续喷射，达到冷却钢材，保护屋盖的目的。冷却钢材的喷洒水同时也对馆内着火点起到一定的灭火作用，可谓一举二得。这种方法用在超大空间建筑的钢结构屋盖系统是比较合适的。笔者认为，也可同时采用两种方法相结合的方式对钢屋盖系统进行保护，效果更佳，如在钢屋盖杆件上喷涂薄层防火涂料和对钢屋盖实施喷水保护，这样，既可起到防火保护，同时又保证屋盖的美观效果。
4 水冷却系统
超大空间建筑的屋盖由于覆盖面积非常大，通常采用钢结构网架屋盖体系，由于结构的杆件一般采用钢管杆件，而其结点通常采用球结点，焊接球结点或螺栓球结点。试想如果结构体系的杆件之间都是空心且相通的，向管内注入连续的水流，通过水流的冷却作用，使钢管降温，从而达到了保护钢构件，使得火灾时不会达到使构件软化变形的温度，也就保护了整个钢结构屋盖系统。当然了，这个冷却系统的形成，有很多技术问题需要解决：
（1）水冷却系统应是自动加压供水系统，如同水喷淋系统一样与火灾自动感烟或感温系统形成联动。由于钢结构屋盖系统非常庞大，可将其分为若干区段，这样可以根据建筑物起火部位，自动或手动起动冷却水系统，既达到保护作用，又可不致造成设计水量过大。
（2）在进行钢屋盖系统设计时，应充分考虑钢管内水流满载时所增加的水重量部分的荷载。
（3）水冷却系统建议设置回收水池，回收水的温度较高，但它完全可以作为喷淋水加以利用，所以整个消防水量不会因为设置了水冷却系统而增加。当然了，这种冷却水系统在非钢管结构的体系如型钢屋架体系是不适用的，我们也可考虑将屋架设计成钢管屋架，冷却系统则又是适用的了。这种屋架在深圳中康彩色显像管玻壳厂的主厂房设计中已经实现了，该屋架跨度达45米，杆件完全采用焊接连接，因而从结构上完全可以满足冷却水系统的设计要求。在钢网架系统中，为了使冷却水流通畅无阻，减少结点处的瓶颈，建议采用焊接空心球结点。笔者认为钢结构屋盖体系的循环水冷却系统是在火灾时能起到有效保护作用的—个既经济、实用又可行的方法。
5 结束语
鉴于我国国情和经济体制的关系，目前对于超大空间建筑无论在消防设计，还是在消防产品开发上与国外相比仍有一定差距。这就要求我们工程设计人员、公安消防机构尽快学习国外先进经验技术，开发新型消防产品设施。在消防系统设计上，优先保证人员在火灾中的安全，同时考虑如何减少火灾的发生和火灾的损失，防止火灾大面积蔓延，最大限度地降低火灾对财产、环境的破坏。利用性能化设计的思想，弥补现行防火规范的不足，适应飞速发展的社会需求，最大限度地保障人民生命财产安全。
参考文献
[1]田玉敏.大空间建筑防火分区设计的探讨[J].消防技术与产品信息，2004，（4）：11—13
大空间建筑防火设计 篇3
1 防火设计的主要问题
现行的建筑防火设计规范主要是根据火灾案例的经验及实验结果制定并修订的, 内容一般包括较为详细的条目规定。设计者依照建筑的结构、规模和用途, 从中选定防火设计指标和具体参数。由于大空间公共建筑的选型和功能不断创新, 而且越来越复杂, 致使设计人员无法从规范条文中“按方抓药”。总的来说, 传统的建筑防火设计方法在大空间公共建筑应用中主要存在以下几个问题:
(1) 防火分区问题。为实现建筑室内空间宽大, 使用功能完整, 大部分大空间公共建筑不能按规范标准划分防火分区, 且室内未设置防火墙或梁、柱等支承构件, 防火分区面积远超出规范要求。
(2) 安全疏散问题。建筑室内容纳人数多, 安全疏散距离长, 安全出口不能直通室外, 疏散功能不符合规范要求。
(3) 防排烟设计问题。大空间建筑因体形巨大, 造型新颖, 现行的防排烟设计规范中没有涵盖。若按“标准”规定的排烟量计算, 工程上无法实现, 也无法设置机械排烟系统。
传统的“处方式规范”是按统一规定条文的设计参数所做出的方案, 虽具有一定的科学合理性, 但由于建筑各自的结构、用途和内部可燃物分布状况的差异, 难免还会出现达不到预期的消防安全水平或因设置过度的保护措施而增加建筑成本等一系列问题。
2 性能化防火设计技术及发展概况
性能化防火设计技术是建立在消防工程学基础上的一种新设计方法。由设计者依据建筑的结构、用途及内部可燃物的具体情况, 选择可达到消防安全目的应采取的措施, 有机构成总体设计方案。最后, 对建筑火灾危险性进行定量预测和评估, 得出最优的防火设计方案。
自20世纪70年代以来, 许多发达国家对性能化防火设计进行了大量的研究, 并在相关规范的制定和工程应用方面取得较大进展。1982年, 日本建设省编制了体现性能化为指导的设计方法;1994年, 新西兰采用了以火灾性能为基础的防火设计规范, 框架与英国修订建筑规范时提出的“基于性能的方法”相似, 但内容更为翔实;澳大利亚组建的“防火规范改革中心”于1996年推出了以落实性能化设计规范为中心的《防火工程指南》;2001年, 美国已基本完成性能化目标和性能级别分级的确定;1996年至2002年期间, “国际性能化设计规范与设计方法研讨会”的召开标志着性能化防火设计方法已形成国际化趋势。
我国在“十五”期间也开展了“建筑物性能化防火设计技术导则”课题的研究。该导则参考了大量的火灾实验数据, 并结合现行的建筑防火设计规范, 规定了性能化防火设计的适用范围、一般步骤和应达到的消防安全水平, 为性能化防火设计技术的应用奠定了基础。
3 工程实例
3.1 项目概述
大型商场是一类有代表性的大空间公共建筑, 本文选取防城港市某新建大型商贸城为设计实例, 讨论研究性能化防火设计技术的应用 (见图1) 。该商贸城包括A#、B#区两部分, 占地面积36000m2, 总建筑面积71800m2。A#、B#区各由10栋地上三层的单体建筑组成, 各栋建筑屋面高度均小于16.8m。各栋单体建筑之间设有6.5m~13.8m的室外通道, 防火间距和消防车道符合《建筑设计防火规范》 (GB 50016—2006) (以下简称《建规》) 要求。
3.2 防火设计难点
为增强商贸城的整体性, 提高商场氛围和顾客购物的舒适性, 设计者在各栋单体建筑之间的室外通道上方加盖玻璃顶棚, 使A#、B#区的各栋单体构成一整体室内大空间建筑。当设置顶棚后, 通道所在空间性质由室外安全空间变为室内通道, 导致原防火设计方案存在以下问题:
(1) A#、B#区各栋建筑之间通道在未设置顶棚时可视作室外安全区域, 但增设顶棚后, 这些疏散楼梯不能作为室外疏散楼梯, 按《建规》第5.3.5条规定要求则应采用室内封闭楼梯间。
(2) 该项目中建筑之间通道上方未设置顶棚时, 人员疏散至通道内即可远离起火建筑;而设置顶棚后, 这些疏散楼梯在首层的出口均位于通道内, 与室外安全出口之间距离大于规范要求的15m, 不满足《建规》第5.3.13条第3款的要求。
(3) 《建规》第5.3.2条规定:公共建筑内的每个防火分区、一个防火分区内的每个楼层, 其安全出口的数量应经计算确定, 且不应少于2个。原设计方案中, 项目A#、B#区内每栋建筑为一个防火分区, 20栋建筑总共设置20部疏散楼梯, 不满足规范要求。
3.3 性能化防火设计及分析
3.3.1 设计目标
该商贸城设置玻璃顶棚后, 会造成烟气无法顺利排出室外, 逐渐在建筑之间的空间积聚并沉降, 从而不能保证通道作为安全疏散的空间, 给进入通道的人员带来生命威胁 (见图2) 。
因此, 工程项目设计目标是发生假定的火灾情形时, 在提高通道自身安全性的前提下, 拟采用在顶棚设置大面积自然排烟窗的方式, 烟气通过排烟窗顺利排出, 且不对建筑回廊内人员疏散安全构成危害。
3.3.2 火灾及烟气控制策略
在火灾控制策略上, 保证建筑内某个商铺发生火灾时, 不在水平和垂直方向向其他商铺蔓延, 导致火灾规模无限制扩大, 详细设计要点如下:
(1) 为防止火灾在水平方向向其他未着火店铺蔓延, 要求各店铺之间的墙体应采用耐火极限不低于3h的防火隔墙, 且不应开设门窗洞口。
(2) 各栋建筑相邻店铺之间展示面一侧应设置宽度不低于1m的实体墙以有利于防止店铺火灾不会由展示面一侧开口之间蔓延。
(3) 利用现有二、三层连廊作为防火挑檐, 防止火灾在垂直方向蔓延。参考《建规》第5.3.6条对步行街的设计要求, 为达到作为防火挑檐的目的, 连廊宽度不应低于1.5m, 该项目现设计中二、三层外廊宽度均在3.0m以上, 可满足该规定的要求。
(4) 为控制火灾规模, 该项目中与各栋建筑之间通道直接连通的单个商铺单元的面积均小于300m2。
在烟气控制策略上, 加强通道自然排烟系统设计, 即使烟气进入通道也能有排烟系统顺利排出室外, 而不在通道空间内聚集沉降, 使该空间可作为“准室外空间”使用, 保证其具有较高的消防安全水平。具体排烟方案如下:
(1) 排烟窗上部设置无任何阻挡物的开敞式排烟窗, 排烟窗开窗形式为高侧窗, 下部设置常开式百叶窗。
(2) 每条通道上方玻璃顶棚开设的开敞式排烟窗和常开式百叶窗的有效面积不应小于对应通道地面面积的25%。
(3) 为避免排烟窗开设方向单一受到室外风向影响导致排烟效果不理想, 要求矩形顶棚四个方向均应开设自然排烟窗。
(4) 为便于烟气的顺利排放, 要求各通道上方顶棚百叶窗下沿距地面高度不应低于16m, 开敞式排烟窗下沿距地面高度不应低于17m。 (见图3)
防火设计遵循国家相关规范, 其目的是为了达到相应的消防安全目标。该项目主要保证的目标是:火灾烟气危害能得到有效控制, 并且可保证建筑内人员在安全的环境下疏散出去。为验证上述安全策略是否可行, 笔者将在后面部分设置有针对性的火灾场景, 对空间的安全性进行模拟计算分析。
3.4 设计评估分析
3.4.1 火灾场景的设定
通过选取合适的火灾场景, 计算的结果可明确判断不满足规范要求的设计方案给建筑消防安全带来的影响。该工程防火设计主要问题集中在顶棚覆盖的通道空间, 因此假定火灾发生的位置在通道或通道两侧的商铺内, 然后根据火灾载荷分布等确定火灾场景。 (见表1)
3.4.2 模拟计算工具
在性能化计算分析中, 为客观地对建筑内火灾烟气蔓延特性进行定量分析, 并对设计方案作出科学判断和优化建议, 笔者采用以下软件工具做评估分析:
(1) 模拟火灾发展和烟气蔓延特性采用FDS软件;
(2) 模拟人员疏散采用STEEPS软件。
3.4.3 安全疏散的判断标准
建筑内消防安全性能判定的主要原则为:在建筑某火灾危险区域发生火灾时, 人员可用的安全疏散时间 (ASET) 足以超过需要的安全疏散时间 (RSET) , 即ASET>RSET。根据相关技术规范, 本文选择的人员疏散安全判定标准如下:
(1) 如果热烟层距人员活动地面高度大于2m, 则热烟层的温度不超过180℃;
(2) 如果热烟层距人员活动地面高度小于2m, 则热烟层的温度不超过60℃, 且能见度不小于10m;
(3) 如果热烟层距人员活动地面高度小于2m, CO2浓度不得超过1% (体积百分比) , CO浓度不超过500ppm;
(4) 在消防队可能控制火势以前, 各层2m以下空间内的烟气温度不超过260℃。
3.4.4 安全性评估分析
分别对该商贸城内设定的四种火灾和疏散场景进行模拟计算, 火灾场景中还考虑了喷淋系统失效的不利情形组合, 全面分析火灾烟气在建筑内的流动性。对顶棚下的通道作为“准室外空间”进行定量分析, 验证该区域能否作为人员安全疏散使用。
在场景A中, 火灾模拟到人员疏散结束的烟气温度场分布基本相同。除起火点正上方烟气温度较低之外, 火灾烟气在上升到顶棚后, 会沿顶棚下方设置的高侧窗排出建筑物, 少量在空间内水平蔓延的烟气也迅速降温。在起火点以外的其他区域, 烟气最高温度仅达到46℃左右, 烟气未在顶棚下聚集。火灾场景设计火灾规模为4.0MW, 在295s时火灾达到最大, 火灾烟气释放量也达到最大, 并一直保持该规模, 模拟区域内的温度及其他参数也趋于稳定。说明在该火灾场景中, 顶棚下空间可以看作准室外安全区域。
按3.4.3节的人员安全疏散判断标准和烟气蔓延特性参数 (烟气温度、CO2浓度、CO浓度、能见度) 的量化结果, 可得出火灾场景A的人员疏散可用时间 (ASET) , 符合安全疏散要求。 (见表2)
结果还说明, 当火灾发生在通道时, 受火灾烟气影响的区域通常是着火位置的上部 (三层顶棚附近) , 场景A发生在一层, 一层和二层除着火区域附近区域外, 其他区域受到的影响非常小。同理, 分析火灾场景B、C、D可验证设计方案是切实合理的。
3.4.5 火灾扑救安全性分析
根据烟气模拟结果, 火场环境除火源燃烧位置的温度较高外, 其他区域人员活动高度内的温度均在100℃以下。在火灾发生30min内, 不会威胁到救援人员生命安全的程度, 而且配备了专业装备的消防员可耐受更为恶劣的环境。因此, 在该项目顶棚下空间可提供不小于30min的安全救援环境, 能保证扑救人员的安全。
3.5 评估结论
模拟计算结果表明, 该商贸城即使在通道本身发生火灾和商铺内灭火系统失效, 商铺火灾规模较大的不利情况下, 通道内火灾烟气的各项安全指标均可满足判据要求, 不会危及人员疏散安全。此时, 顶棚下方空间可定性为准室外空间, 火灾烟气也不会对该区域内人员疏散构成威胁, 可作为人员的安全疏散区。
4 结语
笔者结合大空间公共建筑的工程实例, 重点分析了防火设计的难点。通过性能化设计评估的方法及模拟火灾烟气蔓延和人员疏散情况分析, 验证了突破传统的设计方案在与现行规范要求存在冲突的情况下, 项目设计所采用的火灾烟气控制策略是可行的。
由此可见, 对大空间公共建筑的防火设计, 运用性能化设计的方法不但能很好地解决其中超规范、超标准等与现行规范矛盾的难题, 而且还可实现建筑实际使用功能和消防安全性能的合理统一。性能化防火设计技术是世界各国新型建筑防火设计的发展趋势, 同时也是一项复杂的系统工程, 仍需在实践应用中逐步推进。
参考文献
[1]倪照鹏.国外以性能为基础的建筑防火规范研究综述[J].消防技术与产品信息, 2001, 10 (2) :30-53.
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大空间建筑防火设计 篇4
1 大空间建筑钢结构在火灾中的升温
研究表明,建筑结构或构件在大空间建筑火灾中所处的温度环境与小室火灾有较大差异。小室火灾的火焰温度通常较高,在建筑空间内温度场近似均匀分布。大空间建筑由于空间体积较大,火羽流与环境空气的热量交换在空间各点不均匀,烟气温度随几何位置的变化存在差异。大空间建筑火灾中,火源对钢结构的能量输入可分为烟气对钢构件表面的辐射传热、对流传热和火焰对钢构件表面的辐射传热,见图1所示。
1.1 烟气与构件的净辐射传热量
烟气与构件的净辐射传热量(Qg)用式(1)计算:
Qgr=εgεsc0Fs[(Tg+273)4-(Ts+273)4] (1)
式中:Fs为单位长度钢构件的外表面积,m2/m;εg、εs分别为烟气、钢构件表面的黑度;Tg、Ts分别为烟气、钢构件在火灾t时刻的温度,℃,烟气温度按文献[2]取值;c0为斯蒂芬系数,5.67×10-8 W/(m2·K4)。
1.2 烟气与构件的净对流传热量
烟气与构件的净对流传热量(Qsc)用式(2)计算:
Qsc=Fsαc(Tg-Ts) (2)
式中:αc为对流传热系数,W/(m2·℃),对纤维质燃烧火灾,可取25 W/(m2·℃)。
1.3 火焰与构件的净辐射传热量
火焰与构件的净辐射传热量(Qfr)用式(3)计算:
Qfr=εfεsφsfζFs(1-εg)C0[(Tf+273)4-(Ts+273)4] (3)
ζ=Fsr/Fs (4)
undefinedundefinedφisfFisr (5)
式中:Fsr为钢构件受火焰辐射有效表面积,m2,假定该有效表面积平行正对火焰面,且位于钢构件最下边缘处;φsf为钢构件受火焰辐射有效表面积上微元面对火
焰面的辐射角系数,该微元表面的法线过火焰面形心,无量纲;εf为火焰的黑度,无量纲;Fisr为钢构件i的单位长度受火焰辐射表面积,m2/m;φisf为钢构件i上的微元表面对火焰面的辐射角系数;Tf为火焰的平均温度,℃;n为组成钢构件的板件数。
设定火源功率Q、火焰高度Hf、建筑空间高度和建筑面积A作为参数变量,研究表明,烟气温度Tg的最大值将随火源功率的增大而升高,随建筑空间高度和建筑面积的增大而减小,由式(1)、(2)可得烟气与构件之间的净辐射传热量Qgr和烟气与构件之间的净对流传热量Qsc与火源功率成正比,与建筑空间高度和建筑面积成反比。
式(3)中φsf根据式(6)计算:
undefined
式中:X=2a/C,Y=2a/C;C=H-Hf ;H为钢构件至火源面的垂直高度,m;Hf为火焰高度,m。钢构件与火源的空间关系如图2所示。
由式(6)可知,钢构件受火焰辐射有效表面积上微元面对火焰面的辐射角系数φsf随火焰面距火源中心正上方钢构件表面微元距离C的增大而减小,再考察式(3)可知火焰与构件之间的净辐射传热量Qfr随距离C的增大而减小。
钢构件的总净吸热量Qj由式(7)计算:
Qj=Qgr+Qgc+Qfr (7)
由于在火灾中钢构件所能达到的最高温度与其总净吸热量Qj成正比,根据对式(7)中各项参数变量分析可知,在火灾中钢构件所能达到的最高温度与火源功率成正比,与建筑空间高度、建筑面积和火焰面距火源中心正上方钢构件表面距离成反比。
2 基于临界温度法的钢结构抗火设计
为保障火灾下钢结构的安全,传统钢结构抗火设计方法是基于标准构件的试验方法,对标准梁或柱施加设定的标准荷载,然后测定其在标准火灾升温条件下的耐火极限是否满足规范要求。由于标准构件的试验方法没有考虑构件在实际结构中的约束条件和整体结构的共同工作状态,按此方法对钢结构进行防火保护,在真实火灾场景中,结构可能是不安全的,也可能是偏于保守的。
考虑大空间建筑的火灾特性,对火灾下整体结构的抗火性能进行分析,可以确定荷载比R(火灾下结构的承载力与常温下相应的设计承载力的比值)下的结构在火灾中达到抗火承载力极限状态时构件截面上的温度最高值,该温度即为火灾下建筑结构的临界温度。
临界温度是基于结构的力学特性对整体结构进行抗火性能分析而得到的,因此,大空间建筑结构类型不同,影响其临界温度的关键参数也不同。对于门式钢刚架结构、平面桁架结构、四角锥体系网架结构、椭圆形平面、菱形平面以及抛物线形平面鞍形索网结构,其临界温度与影响临界温度的关键参数如表1～5所列,表中参数建议用于跨度不超过60 m且单体空间楼(地)面面积不超过6 000 m2的大空间建筑。
由表1可知,影响门式钢刚架结构临界温度的关键参数为结构荷载比和形状系数K,K=L/h2;L为门式钢刚架结构的跨度;h为门式钢刚架结构梁柱节点处柱截面高度与梁截面高度的平均值。
由表2可知,影响平面桁架结构临界温度的关键参数为结构荷载比和控制杆类型(火灾下构件的承载力与常温下相应的设计承载力的比值最大的杆件)。
由表3可知,影响四角锥体系网架结构临界温度的关键参数为结构荷载比和温度场非均匀系数η(定量描述大空间建筑火灾中温度场非均匀性的参数,η值越小,温度场非均匀性越强)。
由表4、表5可知,影响椭圆形平面、菱形平面和抛物线形平面鞍形索网结构的临界温度的关键参数为结构荷载比和钢索预应力比。
如果火灾下结构构件的最高温度不大于其临界温度,则结构在火灾下不需防火保护。
3 确定钢结构不需防火保护的火源功率限值
如前所述,在火灾中钢构件所能达到的最高温度与火源功率成正比,与建筑空间高度、建筑面积和火焰面距火源中心正上方钢构件表面距离成反比。忽略在火灾中钢构件升温滞后于火灾烟气升温,取烟气最高升温等于钢构件最高升温,并设定在建筑空间高度确定时,取大空间建筑平面几何尺寸下限,地面面积为500 m2的建筑空间在火灾中烟气所能达到的最高温度为钢构件温度的代表值。
研究表明,当火焰面距火源中心正上方钢构件表面的距离足够大时,火焰辐射对钢构件升温的影响可忽略不计。由式(6)可知,火焰高度与火源功率成正比,距离与火源功率成反比。所以,当火源功率足够小且火焰面距火源中心正上方钢构件表面距离足够大时,火焰辐射对钢构件升温的影响可忽略不计。火焰高度由式(8)计算:
Hf=0.23Qundefined-1.02D (8)
undefined
式中:D为火焰等效直径,m;Qs为火源功率设计值,kW;qe为单位面积火源功率,不大于500 kW/m2。
因此,对于确定空间高度的钢结构屋盖,可偏安全地通过限定火源功率使其结构构件在火灾中所能达到的最高温度不大于其相应的临界温度,从而得出大空间建筑的钢结构屋盖无需防火保护的结论。
根据以上分析,以建筑空间净高(钢结构最下边缘至火源面的垂直高度)和结构的临界温度为参数变量按以下步骤确定大空间建筑的钢结构屋盖火灾下无需防火保护的火源功率限值。
(1)当空间高度确定时,地面面积500 m2的建筑空间在火灾中烟气能够达到最高温度(即结构临界温度100～700 ℃)时的火源功率值,按文献[3]取值;
(2)按式(7)、式(8)确定火焰高度,按图2确定火焰面距火源中心正上方钢构件表面的距离,取qe=500 kW/m2;
(3)按式(6)确定钢构件受火焰辐射有效表面积上微元面对火焰面的辐射角系数φsf,取ξ=0.7,F/V=300 m-1;
(4)判断步骤(3)计算所得的辐射角系数φsf是否不大于文献[10]中不需考虑火焰辐射对钢构件升温影响的角系数φsf限值。如果不大于该限值,则步骤(1)所确定的火源功率即为该空间高度钢结构屋盖无需防火保护的火源功率限值;否则,进行步骤(5)的计算;
(5)按步骤(4)中得到的辐射角系数φsf限值,根据式(4)可得火焰面距火源中心正上方钢构件表面距离C,并由图2确定火焰高度,取大空间建筑火灾中火源面较大值a=3.5 m;
(6)按式(8)、式(9)可得步骤(5)所确定的火焰高度对应的火源功率,偏于安全地取qe=500 kW/m2,该火源功率即为该空间高度钢结构屋盖无需防火保护的火源功率限值。当建筑空间高度分别取6 m、9 m、12m、15 m和20 m时,按以上步骤可得大空间建筑钢结构不需进行防火保护的火源功率设计值限值Qs,如表6所列。在表6中,临界温度应根据结构类型分别按照表1～5确定;H为建筑空间净高。
表6所列大空间建筑钢结构不需进行防火保护的火源功率设计值限值是对参数偏于安全地取值的条件下得出的,对于超出表6火源功率设计值限值的火灾场景中的结构是否进行防火保护,可按步骤1～6计算确定。
4 算 例
某平面桁架结构立面见图3,单榀钢桁架几何尺寸为18 m(跨度)×2.1 m(高度),建筑空间尺寸为18 m(长)×42 m(宽)×10 m(高),杆件截面规格和内力值见图3所示。设计火灾场景:中速增长型火源,火源功率设计值Qs=5 MW,耐火极限2.0 h,按以下步骤对该平面桁架结构进行抗火验算。
4.1 确定结构荷载比R
与常温下设计荷载的布置方式相同,在火灾时的外荷载(按文献[6]中6.4.1条确定)作用下构件内力与构件极限承载力的比值为构件荷载比R(见表7),对于钢桁架结构当构件达到承载力极限状态即认为结构破坏,根据表7在此取结构荷载比R=0.79,该桁架结构的控制杆件类型为上弦压杆。
4.2 确定临界温度
根据R=0.79,控制杆件类型为上弦压杆,按表2可得该平面桁架结构的临界温度为520 ℃。
4.3 验算平面桁架结构是否进行防火保护
根据R=0.79,建筑空间高度为10.0 m,按表6可确定平面桁架结构不需进行防火保护的火源功率限值为8.05 MW。火源功率设计值为5 MW,小于火源功率限值,因此该平面桁架结构在火灾中烟气升温条件下不需进行防火保护。
5 结 论
(1) 在火灾中钢构件所能达到的最高温度与火源功率成正比,与建筑空间高度、建筑面积、火焰面距火源中心正上方钢构件表面距离成反比;
(2) 根据不同结构类型按表1～5确定其临界温度,然后根据建筑净高按表6确定大空间建筑火灾下的钢结构屋盖无需防火保护的火源功率限值,如果该结构所处火灾场景的火源功率不大于该火源功率限值,则该钢结构屋盖无需防火保护。此方法符合结构设计的安全性与经济性原则,并可使工程技术人员较方便地得出不需对钢结构进行防火保护的结论。
参考文献
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大空间建筑防火设计 篇5
地下建筑的高危险性使得其防火分区面积较地上建筑大打折扣,一般为500m2,拥有喷淋等设施时扩大为1000m2,地下商业面积在规范的控制下最大也只有2000m2。地下室范围往往是满铺于用地红线内的区域,因此合理设计防火分区是重中之重,作为商业空间,宽敞、联通是体现商业价值的重要因素,而如今对防火卷帘的使用已有了严格规定,加之以其较高的成本,采用防火卷帘进行分隔仅被限于必须之处。有效利用建筑功能划分的墙体作为防火墙不失为一个好选择,将防火分区面积控制到规范要求最大,数量最少是必须的,这样做在设备上可以减少排烟机房的设备,节约成本。建筑上也可以减少防火墙体,并且也能减少疏散梯的数量。因为每个疏散楼梯都必须到地面,如不加思考随意放置,势必造成地面千疮百孔的情况,影响地面的功能布置。除此之外还可以利用地上建筑自身带有的楼梯,但应在底层与上部分隔,其次利用剪刀梯和防火分区楼梯互相借用或共用也能减少楼梯数量,使平面利用率得以大大提高。另外值得注意的是减少楼梯数量的前提条件是其疏散宽度应保证,作为大量人流的商业空间,梯段净宽至少应在1.4m以上,如果两个防火分区间合用的楼梯,其梯段宽应将其两区域的人流统计后计算得出必要的宽度。疏散距离也是布置楼梯的一个控制条件,因此在此项布置中应合理地让商场区域为双向疏散,使楼梯分散。尽管采取多种手段,大型商业地下室的楼梯依然不在少数且不同的楼梯可能通往不同的使用空间。因而拥有良好的疏散指示标识,在平时和火灾发生时均是必不可少。
2 地下室不同的功能房间布置
大型地下室的商业空间大开间、大面积,一般地车库放置地下二层、甚至在地下三层、四层,地下一层、二层功能被商店、餐厅等等区域所替代,如何有效组织利用这些空间,对于消防同样起到很大的作用。
2.1 设备用房的集中布置
设备用房作为大型商业建筑的必要设施是不可缺少的,其往往需要较大、较高的空间,而且设备在使用时又往往带有噪音,因此放入地下室是其最佳选择。设备用房的危险性较高,出现事故的可能性较大,一些消防设备要求在火灾时工作,将其集中布置,并远离人员频繁流动或密集区,设置专用疏散通道,可以大大降低火灾危害。有利于集中管理,设备用房附带的值班室同样可以对火灾起到预防、监控的作用。集中布置设备用房附带的优点是,可以使工作人员与商业人流完全分离,互不干扰。
2.2 厨房与餐厅的合理布置
大型地下商业空间中往往带有餐饮空间,因为应对大量的人流仅依靠地面以上设置的餐厅总是显得力不从心,在地下部分区域布置较为大型的美食广场是一个可行的选择,可问题则接踵而来:厨房是一个采用燃气和使用明火的区域,无论其发生火灾还是外部的火灾烧至厨房都会带来很大的灾难,其安全性必须得以保证。加之以燃气使用安全的规定,厨房必须置于靠地下室外墙的区域或楼上厨房与其叠加之处,如不满足条件又必须设有厨房的区域建议采用电加热的装置。厨房与其它区域也应采用耐火极限达3小时的墙体进行分隔。厨房产生的油烟的排放也应尽量汇总并通过垂直烟道送出地下室。民以食为天,餐厅在用餐时间内常常人满为患,其密度之大带来的危险性就更大,因此在布置时应留出足够宽的疏散通道,在通道附近的桌椅建议使用固定桌椅,以免混乱局面产生时阻碍交通形成更严重的踩踏事件。其次其餐厅出入口应多布置,方便多向疏散。
2.3 中庭(及下沉式广场)的巧妙利用
在人们的心目中,地下室往往给人以封闭、阴暗、空气很差、潮湿这类负面印象,如何改变地下室的旧面孔,代之以新颖、清洁、健康的建筑形象是建筑师的新课题。以往在地上建筑出现的中庭和广场均在地下空间得以实施采用。通过中庭对于上下空间的联系及下沉式广场的天光引入使得地下空间的层次立刻丰富起来,商业价值立刻提升。中庭向来在防火分隔上有很大的不安全性,上下空间联系会造成火焰及烟气窜至其它楼层,防火分区叠加使得面积往往超过规范要求,因此围绕中庭的防火分区应严格计算,中庭周围则考虑防火卷帘及喷淋等设备。自动扶梯是商业中不可缺少的垂直交通工具。但是其在火灾时会起到与中庭相同的负作用,即上下窜火。而其本身也不能做为疏散梯使用,因此将中庭与扶梯合二为一,是个不错的选择。相比而言,下沉式广场给地下空间的防火带来了不少好处,作为大空间地下商业区,一旦超过2万平米,就必须严格的采用防火墙进行封闭,不能使用防火卷帘或防火门作为分隔。然而作为大型空间的商业,如果其区域与区域之间采用这类硬性分隔的话,其商业价值则将大打折扣,这是开发商所不愿接受的。但如果在这两个区域间使用一个大型的下沉式广场来联系,即可完全满足规范又带来了趣味空间,使两区域的功能联系更紧密,同时地下室的空气更新鲜,在火灾突发时刻下沉式广场成为一个安全区域,并能排出烟气,下沉式广场的楼梯能方便将人流引入与引出,提高了地下空间的商业价值,采用了这类空间,可谓好处多多。因此,在地下商业空间内引入这种空间对消防和吸引顾客十分有利的。
2.4 储藏空间的严格分级
储藏空间的使用是必不可少的,其内部因无值班人员易因疏忽而引发火灾,为此储藏空间内物品应严格按照规范等级进行存放,并且每个储藏空间面积限制小于100m2。
综合上述,地下室的防火应着眼于防与疏散,防则采用高新高敏感的报警系统,可以在第一时间将火灾源头消灭或减少火灾范围扩大。而疏散是在意外发生之时,快速便捷的将慌乱的人流迅速引导出火灾区域,降低人员伤亡。大型的地下室还有着很大的开发前途,通过不断的实践和深入研究,将一切危险隐患排除之后,地下空间的使用将进入一个全新的时代。
摘要：随着建筑技术及施工能力的飞速提高,加之城市土地的稀缺性矛盾日益突出,建筑正不断追求着向天空与大地的纵深发展。地下空间的有效利用为建筑解决诸多矛盾提供了可能,本文就大型地下商业空间建筑防火设计提出几点思考。
关键词：地下室,防火分区,疏散距离,疏散宽度,设备用房,中庭,下沉式广场,厨房
参考文献
[1]吴凤.大型地下商场火灾安全疏散性能化设计研究[D].西安科技大学,2005.
某大空间建筑暖通空调设计研究 篇6
1 大空间建筑的特点
1.1 空间使用的特点
大空间建筑室内的体积会远远大于正常建筑的体积, 一所大型的剧场体积可以达到一到两万平方米, 一个中型的体育场可以达到五到八万平方米, 大型的体育场可以达到十几万甚至是数十万平方米。虽然大空间建筑往往具有很大的体积, 然而使用的人员相对会也较多, 但是相对办公楼的标准层的人员密度, 人均体积会大很多, 所以建议大空间建筑采用小量的换气次数。
1.2 空间的特点
大空间建筑一般都具有空间高度高的特点。一般的音乐厅、体育馆、剧场高度都会在十米到二十米之间;室内的棒球场会更高一些, 在三十到五十米之间;一些高层建筑的中庭可以达到一百米以上。
1.3 使用方面的特点
目前我们所看到的大空间建筑, 除了一些具有特定功能的场所, 例如大剧院、古典音乐厅这种, 它们的功能相对单一, 其他的例如体育比赛、展示会、招聘会、展销会等等, 这些活动有时需要设置临时的舞台、活动座椅等等必要的装备。
2 大空间建筑空调的特点
2.1 整体要求及特点
上面已经说了大建筑具有空间大、高度高、使用人员密集、增加临时设备等特点, 所以在进行暖通空调系统设计的时候必须要对以上的几个特点进行充分的考虑。大空间建筑由于其空间大, 所以空调负荷的有效区域空间在整个建筑空间当中的比例就显得很低了, 同时大空间的地板面积和外墙面积相对也大, 所以外界温度的变化对室内空间温度的影响也相对较大, 这样无论制冷还是制热的效果就会受到环境的影响很大。由于设备的临时增加, 整个环境对于空调的要求就会随着环境的变化而不同, 在进行空调系统设置的时候必须要考虑这部分的变化, 也就是说空调系统的控制要具有高度的灵活性。
2.2 大空间暖通空调设计的难点
首先, 大空间的热源问题上都是独立的, 只有这样才能满足空调、制冷、采暖、热水供应等各个方面的不同需求。由于目前的土地资源都很紧张, 所以大部分的大空间建筑的锅炉房都设置在地下室或者是屋项上, 这样大空间建筑的热源设计就更加的复杂;其次, 大空间建筑都具有一定的高度, 这就使采暖系统的垂向出现失调的状况, 而且整个系统水静的压力会相对较大, 整个室外管网的水力就会受到影响, 同普通的多层建筑相比这方面有很大的差异;最后, 由于大空间建筑的空调设计气流组织具有一定的温度梯度, 所以在送风方式的采用上必须合理。现在大多数工程采用的都是上送下回的方式, 在风口的选择上, 现在大多数的工程都选择可调节风量的风口;同时进行风口设计的时候要精确计算空调的气流组织, 同时要考虑整个大空间建筑的装修和布置注意整个空间的美观。
3 设计方案
在进行整个系统的方案设计时注意要根据当地资源的不同特点, 不同方面的问题都要考虑进去。如果建筑的规模相对较小, 并没有设备用房的一个专用位置, 那么就使用风冷热泵式冷 (热) 水机组或风冷式冷水机组。如果建筑的规模较大, 则可以使用水冷机组。大空间建筑是人员在一段时间内密集, 所以对外营业场所、办公等面积占整个建筑面积的比例是较小的一部分, 而大部分的空调冷负荷都是一些设备、灯光、新风等等的负荷, 所以我们进行在机组台数选择时, 为了机组的台数可以满足负荷的变化要求, 所要考虑的主要因素是, 第一, 在没有活动的时候, 只有必要的位置进行供冷或供热;第二, 由于场地的人员数量是随着活动的不同会发生变化, 所以新风的负荷会发生很大的变化。
4 整个暖通空调系统设计
4.1 大空间建筑使用状况与暖通空调系统设计之间的关系
之前有说过, 大空间建筑大部分属于人员密集、设备散热量大的一个公共场所, 所以说我们采用全空气低速风道的双风机系统来进行整个建筑的暖通空调的系统。从室外进入的新风同回风当中的部分风经过混合、过滤、冷却 (加热) 处理之后后送人建筑内。空调机组的各个风口可以根据室外新风状况, 运用电动风阀来进行调节, 这样既可以改善改善室内的空气质量同时还可以环保。通常情况下, 大空间建筑闲置的时间较长, 并没有频繁的使用效率。在北方, 考虑到节能应采用空调和散热器相结合的方式进行采暖。如果没有活动的时候, 可以利用散热器进行温度的维持, 举办活动的时候再由空调进行热量的补充。
4.2 根据建筑物的结构来进行空调设计
大空间建筑物以轻型结构为主, 外围护的结构以玻璃幕墙为主。所以从节能和满足卫生要求的两个角度出发, 暖通专业给大空间建筑的建筑师们提出了经济的传热阻。在整个建筑进行设计的时候进行热风幕系统的设计, 玻璃幕墙的表面进行加热。在气流组织选择方面要建筑物的不同状况来进行选择。
4.3 空调机房的布置与设计
空调机房的布置方案要考虑施工安装是否方便、管道布置经济合理, 以后的维护管理方便几个方面的因素。作为空调系统的核心部分, 机房位置是否合理、面积的大小都将影响到整个空调系统日后的使用。空调机房所承担的空调系统面积要适中, 控制在五百平以下, 这样做的目的是避免系统的风量过大、管理更加合理。在位置的选择上尽量靠近空调房间、远离振动、噪声要求高的房间, 这样更有利于风口的布置。机房的高度要根据空调机组的高度以及实际情况来觉得, 既要考虑空调的实际使用效果, 同时要考虑日后的安装和维修。
5 结语
生活质量的提高目前成了广大人民的追求, 这使得大空间建筑增长的速度很快, 整个建筑的环境设备要舒适、健康, 怎样去保证上面的要求基础上合理的利用能源方面还要不断的进行完善。由于暖通空调系统是否节能在很大程度上决定了整个建筑是否节能, 所以暖通空调的节能能否实现对于降低建筑物的能耗起着非常大的作用。所以说, 暖通空调设计的从业人员应该对此给予更多的重视。
摘要：随着人们生活的日益提高, 各个城市例如体育馆、展览馆之类的大空间建筑也越来越多, 本文就大空间建筑的特点进行分析, 讨论了如何对大空间暖通空调进行设计, 使其具有良好的运转效果同时可以更加的节能。
关键词：空调,大空间建筑,设计
参考文献
[1]王涛.浅析暖通空调设计方案[J].装备制造, 2009, 9 (4) :90-92.
大空间观演建筑防排烟设计探讨 篇7
关键词：大空间观演建筑,防排烟,排烟设施
一、大空间观演建筑火灾烟气的危害性
近年来，大空间建筑逐渐增多。这类建筑在外部造型上追求概念化，由于外部造型及内部功能的多方面要求，这类建筑多数都是具有一个超大的建筑内部共享大厅，这个共享大厅不仅在水平方向上连通面积大，在竖直方向上一般也连续贯通多个楼层。这种形式增加了建筑的观赏性，但是由于建筑结构复杂﹑功能多样、人员密度大﹑通风条件差等特点，一旦发生火灾，烟雾扩散速度非常快。一般来说在火灾发展阶段，烟气的水平蔓延速度为0.5～0.8m/s，竖直方向的蔓延速度为3～4m/s，有毒烟气容易迅速充满整个共享大厅及与其相通的楼层，能见度下降势必造成人员的混乱，对人员生命安全和建筑物安全造成巨大威胁。有数据表明：人在浓烟中停留1～2min就可能昏倒，4～5min就有死亡的危险。
二、火灾烟气在建筑内部共享大厅中的流动特性
大空间观演建筑的内部共享大厅是上下水平贯通的，烟气在其中的流动与一般的建筑不同，主要有两个方面的特性。一个是容易形成“烟气层”，在热作用下烟气逐渐上升，在这个过程中会不断接触周围大量的相比较热烟气来说的冷空气, 在浮力、膨胀力和“烟囱效应”等作用下这些高温烟气不断上升，当到达顶棚后，进而沿顶棚向四周及下方扩散，形成烟气层。随着火灾的发展, 烟气层厚度也在不断增加。另一个是层化现象，由于建筑内部共享大厅贯通多层，空间较高，随着高度的增加，热烟气通过上部墙壁开口、缝隙、建筑导热构件等散热，温度逐渐降低，其上升动力越来越小，烟气在上升过程中被不断卷入的低温空气冷却，部分下落，当上浮到一定高度未达到顶部空间时就横向扩展，逐步停止上升，从而在建筑共享大厅的中间或稍底位置，在热对流的作用下形成混合气流，致使烟流方向倒转。
三、大空间观演建筑的防排烟设计
针对此类建筑的结构特点和火灾时的烟气流动特性，按照一般规范要求的防排烟设计方法来处理有共享大厅的建筑，可以说是不能满足此类建筑物的消防安全及人员疏散安全需要的。下面就以哈尔滨大剧院为例对大空间观演建筑共享大厅的防排烟设计进行探讨。哈尔滨大剧院地上8层，建筑高度55.15米，为高一类公共建筑，内部共享大厅面积超万米，高度从5～26m, 贯穿整个楼层。
此类建筑的防排烟设计要充分考虑以下几个方面：
1、采取有效措施做好防火分隔
防烟分区是控制烟气的基础，是为有利于建筑物内人员安全疏散和有组织排烟而采取的技术措施，规范中规定超过6m的空间可不考虑防烟分区的划分，但对于这种在竖直方向上有多层观众通廊的大空间，应在适当位置设置有效的防烟分隔设施，阻止烟气的蔓延、扩散，从而有利于烟气排出。哈尔滨大剧院在观众通廊部分设置了机械排烟设施，在每层通廊设置了挡烟垂壁，以利于此部分烟气的排出（见图1）。
2、采取性能化设计优化设计方案
这种建筑内部共享大厅的防排烟设计，我国目前没有一套较科学、系统的规范来明确其要求。因此建议采取性能化的方法，根据建筑物结构、用途、内部功能和可燃物分布等情况，运用分析模拟的方法，提出科学合理、实际可行的优化设计方案。
3、排烟量的合理确定
由于此类建筑的特殊性，其排烟量的确定也是防排烟设计中的关键所在。我国目前相关规范是按照体积换气来计算，笔者认为可以多参考一些国外计算方法，通过对比，优选出最合理的排烟量。哈尔滨大剧院在共享大厅通廊部位机械排烟的排烟量按60m3/hm2计算，自然排烟部分采用电动排烟窗面积为地面3%。
四、排烟设施的设置
1、排烟系统的选择
建筑的排烟方式分为机械排烟和自然排烟。针对净空高度超过12m的大空间建筑，及其结构特点及烟气流动的特性，应采取机械排烟和自然排烟相结合的排烟系统。即在共享大厅烟气停滞发生层化的位置设置电动排烟窗，同时再设置机械排烟系统。
2、机械排烟系统的设置
建筑内部共享空间烟气流动特性表明，仅在空间顶部设置排烟口或集中设置排烟系统是不能满足排烟要求的。哈尔滨大剧院共享大厅的高度从5m～26m，在大面积坡向玻璃幕墙覆盖下，顶部为高度5～13.5m的空中花园，顶部也是玻璃幕墙。玻璃幕墙无法做排烟风道，针对这种情况，在沿幕墙设置电动排烟窗自然排烟的同时，应在与共享大厅相通的各层观众通廊的墙面上部设置竖向排烟口和挡烟垂壁，从而加强了排烟效果。哈尔滨大剧院这种机械排烟和自然排烟相结合的方式，与国家大剧院的公共大厅、福州海峡会展的会议区的公共大厅、邯郸文化中心的博物馆的公共大厅相类似。
3、自动探测报警系统的设置
此类建筑共享大厅防排烟系统固然十分重要，但前提是及早准确发现并报告火情，防排烟系统才能发挥有效的作用，以此火灾自动报警系统的设置对于防排烟设计很关键。目前火灾探测器的种类很多，种类不同适用的火灾类型也不有所区别。针对大空间建筑，单一的火灾探测器肯定是无法满足要求的，为了准确、及时发现火情，必须设置多种火灾探测器相结合的探测模式。同时，根据大空间观演建筑的结构特点及火灾特点，建议采取在顶棚上设置感烟探测器；在共享大厅四周墙壁上的适当位置设置线型红外光束感烟探测器；在共享大厅高度中间位置的墙上和顶棚设置烟雾图像探测器和火焰图像探测器。
另外也可采取一些有效控制烟气的措施，如安装自动扫描喷水灭火系统，限制在共享大厅地面上放置可燃材料数量等。
综上所述，大空间观演建筑防排烟设计，首先应确保防火分隔的完好性；其次优化设计方案，通过科学计算确定合理排烟量；然后综合选用排烟系统，加强机械排烟系统的设置；最后，还可采取一些加强措施，以确保防排烟作用有效发挥，确保人员和建筑物的安全。
参考文献
大空间建筑防火设计 篇8
目前,国内体育馆比赛大厅的排烟方式有三种类型: 自然排烟、机械排烟、自然排烟与机械排烟结合使用。对于自然排烟的应用,澳大利亚和英国有许多采用自然排烟的例子;在德国,大空间的 公共建筑 也多使用 自然排烟,尤其是单层的展览建筑。但美国和日本比较倾向于使用机械排烟方式。在我国,根据当前的经济技术水平和设备生产现状,现阶段对建筑防排烟方式选择的倾向性意见是:凡是能利用外窗等实现自然排烟的部位应尽可能地采用自然 排烟方式。为了确保 自然排烟 的可靠性,笔者基于Heskestad模型,推算自然 排烟口面 积,并结合CFAST数值模拟软件对设计的安全性进行验证, 以期得到最安全、最经济的设计方案。
1自然排烟工程方法的基础理论
1.1自然排烟的基本原理
建筑火灾发生后,可燃物燃烧产生大量的热量和烟气,建筑物内外的温度和压力也随之发生变化。温度差和压力差的存在是烟气流动的根本原因。自然排烟主要是依靠燃烧热所产生的浮力、建筑物内外温度差产生的浮力、外部风产生的压力差三个因素。换言之,自然排烟就是利用火灾产生的热烟气流的浮力和外部风力作用通过建筑物的对外开口把烟气排至室外的排烟方式,其基本原理如图1所示。
自然排烟方式实质 上是热烟 气和冷空 气的对流 运动。热烟气层在着火空间上部形成,下部为冷空气层,在一定高度上存在内外压力相等的中性层。在中性层上方着火房间压力大于室外压力,如果在中性层以上区域有通风口,则热烟气由着火房间流向室外;在中性层下方着火房间压力小于室外压力,如果在中性层以下区域有通风口,则室外冷空气将向着火房间补充。当通过排烟口排出的烟气质量流量等于或大于进入烟气层的质量流量时,就可以避免烟气层下降。
1.2自然排烟的方式
自然排烟口分为两种类型:水平排烟口和竖直排烟口,其对应的自然排烟分为两种方式:屋顶自然排烟和外墙自然排烟。屋顶自然排烟主要指利用均匀设置在屋顶的天窗排烟,排烟口采 用热作用、自动或手 动等方式 开启;此种排烟方式常见于面积较大的单层建筑或多层建筑的顶层,如在会展中心、体育馆、商业建筑的中庭、大型工业厂房、库房和封闭商业街等;另一种方式是指利用设置在接近屋顶的外墙上的可开启外窗进行排烟,如高层建筑的自然排烟 楼梯井、大空间建 筑使用的 高侧窗等。 如果建筑条件允许,屋顶自然排烟是一种烟气与热排放较好的排烟方式,当然两种自然排烟口也可以同时使用。
2自然排烟的数学模型与算法
目前的羽流计算多采用基于实际火灾试验的半经验公式,比较著名 的有Heskestad模型、Zukoski模型、 Thomas-Hinkley模型、McCaffrey模型等,但这些模型具有各自不同的试验基础和适用条件。笔者根据体育馆的特点选用美国消防协会(NFPA 92B)和国际标准化组织的消防安全标准(ISO 16734)推荐的计算方法—Heskestad模型,该方法利用无粘流的理论,对羽流横截面温度和速度的分布采用更符合实际的高斯型空间分布,并考虑真实火源与理想点火源的差别,引入虚点源羽流的概念对实际火羽流进行简化,如图2所示。
对于体育馆类大空间建筑,由于室内空间高大,所以可认为不受墙体影响,为轴对称羽流,Heskestad模型可简化为式(1):
式中 :为对流热释放速率 , 一般取;为火源的热释放速率 ; z为从可燃物表面至计 算羽流质 量流量处的高度 ; z0为可燃物表面至虚拟点火源的高度 ; L为火焰高度 ; D为火源的有效直径 。
根据质量平衡原理 , 排出的烟气质量流量应该为可燃物的质量损失速率与进入着火房间的空气流量之和 , 由于远小, 可以忽略不计 , 即进入着火房间的空气流量等于流出顶部排烟口的烟气流量 , 其计算式为式 ( 2 )。
对于墙面竖直排烟口,把高大建筑的室内空间视为一个整体,因而可以模拟为单室情况下的开口流动进行计算,基于中性层原理,对式(2)进一步变形得到式(3):
式中:Cd为流动系数,一般取0.65;ρ0为空气密度,1.29 kg/m3;Au为水平排烟口面积;Heq为等效竖直开口的高度 ; T0为下部空气温度 ; Tg为上部烟气温度 ;为烟气的质量流量 ; Cp为定压比热容 , 1.00kJ /( kg · K )。
此处,引入中间因子M的概念,M=Au/Al,通常在实际工程的设计计算中,并不能很肯定地给出M的确定值,更多的是确定M的取值范围;笔者考虑到在实际发生火灾时,可用于补风的面积必然小于总开口面积,适当增大M取值,令其取1。
对于屋顶水平排烟口的计算同竖直排烟口类似,其排烟质量流量表达式如式(4)所示。
上述计算得到的分别是单独使用屋顶自然排烟或侧墙排烟时的自然排烟总面积。条件允许的情况下,也可以同时使用两种自然排烟口,考虑到侧墙高侧窗排烟口本身的高度通常较小,远远小于大空间室内高度。因此, 忽略排烟口开口上下檐之间的室内外压差变化,计算简化为屋顶水平排烟口面积的计算,得到总面积后可根据具体情况再进行设置分配。
2工程实例验证
以徐州市某体育馆为研究背景,选用CFAST计算机模拟软件对自然排烟工程方法的计算结果进行模拟,以验证自然排烟工程方法计算结果的可靠性。
2.1工程概况
该体育馆的建筑设计 参数见表1,体育馆剖 面图如图3所示。大厅共有对外开口20个,其中一层直接对外的出口4个,每个宽3.6m、高2.5m;二层观众看台疏散出口16个,其中12个疏散出口宽2.2m、高2.5m,其余宽2m、高2.5m,因此可用于补风的开口面积为122m2。
2.2模拟结果分析
采用CFAST软件分别对室外环境温度30 ℃,室内温度28 ℃的顶棚排 烟和高侧 窗排烟进 行模拟,根据式 (3)、式(4),顶棚排烟 分别设置102m2和126m2两种情况,高侧窗排 烟分别设 置104 m2和125 m2两种情况。火源采用t 2快速增长火模型 , 即, 按照我国《 城市消防站建设标准 》, 城市规划区内普通消防站的布局应以接到报警 后5 min内消防队 可以到达 责任区边 缘 , 并在火灾发生后15min开展有效的灭火战斗并控制火势的发展 。 依据可信最不利原则 , 最大火灾热释放速率将达到38 MW 。 由于CFAST软件只能模拟长方体或立方体空间 , 所以对体育馆大厅采用平均高度进行相应的简化 。
对于体育馆类的大空间建筑,为保证视觉效果,室内看台通常呈阶梯状布置,最高看台的高度可能已经达到室内高度的一半或更高,简单采用上述方法确定的烟气危险高度是不符合实际的。对于此类建筑烟气危险高度的确定,笔者参考了日本的烟气危险高度计算公式,将其定义为:比观众所能停留的最高位置高1.8~2.0m,即11.45m。CFAST模拟结果如图4~图6和表2所示。
通过对计算机模拟的结果分析可以发现,四个方案在整个模拟时限内,烟气层界面高度不低于13m,上部烟气层温度最高不超过140 ℃,下部空气层温度最高不超过40 ℃,CO体积分数最高不超过0.01%,都满足设 计目标以及安全判据的要求,自然排烟系统较好地发挥了作用,即可认为工程方法的计算结果是有效的。
3结论